Simulation von Leistungselektronik für den Entwurf und die Validierung von Umrichtern

Wichtigste Erkenntnisse

• Das schnellste Ereignis im Konverterkreis bestimmt den Zeitschritt, und der Zeitschritt bestimmt wiederum, welchen Solver man tatsächlich verwenden kann.
• Offline-Tools klären Designfragen, während Echtzeit- hardware en im Regelkreis Integrationsfragen klären. Planen Sie daher die Konvertierung zwischen beiden als eigenständige Aufgabe mit Abnahmekriterien.
• Vorteil Die Platzierungsgenauigkeit hat einen höheren Stellenwert als die reine Schrittweite, weshalb die interpolierte Umschaltung beim Vergleich von Plattformen als Erstes geprüft werden sollte.

Die Simulation in der Leistungselektronik macht sich bezahlt, wenn sie Fehler im Wandler aufdeckt, bevor die erste Prototyp-Leiterplatte bestückt wird, und der entscheidende Faktor ist der Zeitschritt, den Ihr Modell tatsächlich benötigt.

Jedes Konverterprogramm stößt auf dieselbe Hürde. Offline-Löser bieten unbegrenzte Rechenkapazität und keine Zeitbeschränkung, während Echtzeitplattformen eine strenge Zeitvorgabe und ein festes Rechenbudget pro Schritt vorgeben. Wählt man die falsche Seite dieser Grenze, kostet das Wochen an Zeit im Zeitplan. Der Markt für Batteriespeicher im großtechnischen Maßstab ist in den Vereinigten Staaten in den letzten drei Jahren um durchschnittlich 70 % pro Jahr gewachsen, und hinter jeder dieser Anlagen steht ein Konverter, den jemand modellieren, optimieren und freigeben musste.

Die praktische Frage lautet nicht, welcher Simulator der beste ist. Es geht vielmehr darum, welcher Solver zu Ihrer Schaltfrequenz, Ihrer Regelkreisgeschwindigkeit und dem von Ihnen geplanten „ hardware “ passt. Wenn Sie diese Zuordnung richtig vornehmen, wird die Validierung zu einem wiederholbaren Vorgang. Wenn Sie dabei einen Fehler machen, werden Sie den gesamten Zeitplan damit verbringen, numerischem Rauschen hinterherzujagen, das in Kupfer und Silizium gar nicht existiert.

Was die Simulation in der Leistungselektronik tatsächlich für die Entwicklung von Umrichtern leistet

Das Power-Electronics-Simulations software bildet das Schaltverhalten von Wandlern und deren Regelkreisen in Code nach, sodass Sie Topologieauswahlen, Modulationsverfahren und Schutzlogik testen können, bevor Sie sich für hardware entscheiden. Der Umfang reicht von Verlustschätzungen auf Bauteilebene bis hin zu vollständigen Systemstabilitätsanalysen. Für jede dieser Fragestellungen ist ein anderes Modell erforderlich.

Ein dreistufiger Wechselrichter mit aktivem, festgeklemmtem Sternpunkt verdeutlicht, warum das so ist. Wenn man ihn unter Berücksichtigung detaillierter Halbleiterphysik simuliert, erhält man zwar Informationen zu Schaltverlusten und Übergangstemperaturen, doch dauert ein einzelner Netzzyklus Stunden. Ersetzt man den Schalter durch einen idealen Schalter mit festem Ein-Widerstand, ist dieser Netzzyklus in Sekundenschnelle abgeschlossen – was für die Regelungsoptimierung zwar genau genug ist, für die thermische Auslegung jedoch unbrauchbar ist.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da die meisten Konverter-Gruppen die Simulation als eine einzige Aktivität betrachten, obwohl es sich eigentlich um drei verschiedene handelt. Beim Topologie-Screening kommt es auf Geschwindigkeit an. Bei der Regelungsvalidierung geht es um korrekte Dynamik bei der Regelkreisgeschwindigkeit. Bei der Schutzauslegung sind originalgetreue Transienten bei der Schalt Vorteil, gefragt. Wenn alle drei Anforderungen aus einem einzigen Modell bedient werden sollen, führt dies dazu, dass die Programme Ergebnisse liefern, denen niemand vertraut.

Die Anforderungen an den Zeitschritt bestimmen, welchen Solver Sie verwenden können

Ihr Zeitschritt muss das schnellste Ereignis, das für Sie von Bedeutung ist, genau erfassen. Ein Wechselrichter, der mit 10 kHz unter Pulsweitenmodulation schaltet, benötigt Schritte, die klein genug sind, um jede „ Vorteil “ genau zu platzieren, was in der Regel zu einer Offline-Zeit von etwa 1 Mikrosekunde führt – und deutlich weniger, sobald ein physikalischer Regler in den Regelkreis eingebunden wird.

Betrachten wir einen Traktionswechselrichter mit einer Modulationsfrequenz von 20 kHz. Bei einem Schritt von 50 Mikrosekunden umfasst jede Schaltperiode eine einzelne Abtastung, sodass die Impulsbreiten auf das Raster des Solvers quantisiert werden und die gemessene Stromwelligkeit eher auf die numerische Berechnung als auf die Schaltung zurückzuführen ist. Die Wellenform sieht auf dem Bildschirm plausibel aus und beantwortet eine Frage, die Sie nie gestellt haben.

Durch die Verkürzung des Schritts auf 250 Nanosekunden wird die Welligkeit behoben, die Rechenlast jedoch um das 200-Fache erhöht. Das fasst den gesamten Kompromiss in einer einzigen Zahl zusammen. Offline-Tools gleichen diesen Aufwand durch eine längere Laufzeit aus. Echtzeitplattformen können dies nicht, da jeder Schritt abgeschlossen sein muss, bevor der nächste beginnt. Daher muss entweder das Modell vereinfacht werden oder die Berechnung auf „ hardware “ verlagert werden, wo die Rechenoperationen parallel ausgeführt werden.

„Durch die Verkürzung des Taktschritts auf 250 Nanosekunden wird die Welligkeit beseitigt, und die Rechenlast vergrößert sich um das 200-Fache.“

Wie sich die Arbeit durch Offline-Modellierung und Echtzeit-Validierung aufteilt

Die Offline-Simulation liefert Antworten auf Konstruktionsfragen. Die Echtzeit-Simulation liefert Antworten auf Integrationsfragen. Sie dimensionieren Komponenten, wählen eine Modulationsstrategie aus und überprüfen ein Regelgesetz offline. Anschließend gehen Sie zur „ hardware -in-the-Loop“-Simulation über, wenn der eigentliche Regler mit voller Geschwindigkeit anhand eines Anlagenmodells laufen muss.

Die Übergabe lässt sich bei einem netzgekoppelten 1-MW-Wechselrichterprojekt deutlich veranschaulichen. Die Dimensionierung der Komponenten und die Verlustbudgets werden offline festgelegt. Sobald die Steuerplatine vorliegt, wird dasselbe Anlagenmodell auf einem Echtzeit-Simulator ausgeführt, der mit den analogen und digitalen I/O verbunden ist, und das Team kann Netzstörungen, Durchhalte-Szenarien und Sensorausfälle simulieren, denen kein Laboraufbau standhalten würde.

Gerade bei der Übergabe kommt es häufig zu Verzögerungen im Zeitplan. Offline-Modelle basieren auf Annahmen, die bei einem festen Schritt stillschweigend scheitern, darunter algebraische Schleifen, steife Snubber-Netzwerke und ideale Schalter, durch die unmögliche Ströme fließen. Planen Sie Zeit für die Umwandlung des Modells ein, anstatt davon auszugehen, dass es sich nahtlos übertragen lässt.

Auswahl zwischen CPU- und FPGA-Lösung nach Zeitschritt

Der Hauptunterschied zwischen der Lösung auf der CPU und der Lösung auf dem FPGA liegt in der Untergrenze für den Zeitschritt. CPU-Löser erreichen bei komplexen Modellen und „ Flexibel “-Topologien Werte von etwa 10 bis 20 Mikrosekunden. FPGA-Löser liegen unter 500 Nanosekunden, da die Schaltungsgleichungen als parallele Logik statt als sequenzielle Befehle ausgeführt werden.

Die meisten Umrichterlabore nutzen letztendlich beide Verfahren, und OPAL-RT sorgt bewusst für diese Aufteilung: „ ARTEMiS “ löst das elektrische Netzwerk auf der CPU, wo die Modellgröße eine Rolle spielt, während „eHS“ die Umrichterstufe auf dem FPGA löst, wo die Platzierung von „ Vorteil “ entscheidend ist. Durch diese Aufteilung bleibt die Auflösung dort erhalten, wo sie aus physikalischer Sicht erforderlich ist.

Die Aufteilung ist nicht ohne Auswirkungen. Alles, was die Grenze zwischen CPU und FPGA überschreitet, verursacht eine zusätzliche Latenz. Platzieren Sie diese Grenze daher dort, wo die Kopplung schwach ist, typischerweise an einer Filterinduktivität oder einem Zwischenkreiskondensator und nicht in der Mitte der Brücke. Die folgende Tabelle ordnet gängige Validierungsaufgaben dem jeweils passenden Lösungsansatz zu.

Wo die Genauigkeit von Schaltmodellen in der Praxis an ihre Grenzen stößt

Die Modellgenauigkeit versagt buchstäblich an den Rändern. Ideale Schaltmodelle legen Übergänge an Schrittgrenzen fest, sodass der Wandler bei einem groben Schritt um bis zu einem ganzen Zeitschritt zu früh oder zu spät zu schalten scheint. Dies verschiebt den effektiven Tastgrad und macht sich als Gleichstromversatz im Ausgangsstrom bemerkbar.

Elektrische Antriebe machen die Kosten konkret. Der weltweite Absatz von Elektroautos überschritt im Jahr 2025 die 20-Millionen-Marke – das entspricht etwa einem Viertel aller verkauften Neuwagen –, und für jeden dieser Antriebsstränge musste zunächst ein Wechselrichter anhand eines Motormodells validiert werden. Bei 20 kHz und einem Schritt von 1 Mikrosekunde entspricht ein Fehler von einem halben Schritt bei der „ Vorteil “ 1 % der Schaltperiode – genug, um Drehmomentschätzungen so zu verzerren, dass dies nur auf einem Leistungsprüfstand erkennbar ist.

Die interpolierte Schaltung korrigiert dies größtenteils, indem sie den genauen Schnittpunkt innerhalb des Sprungs berechnet, anstatt auf den Randwert abzurunden. Dies kostet zwar Rechenzeit, ist aber das einzige Merkmal, das ein zuverlässiges Wandlermodell von einem unterscheidet, das lediglich funktioniert. Wenn Sie Simulationswerkzeuge für die Leistungselektronik vergleichen, sollten Sie sich zunächst fragen, wie die Übergänge platziert werden, bevor Sie nach der Schrittweite fragen.

„Bei idealen Schaltmodellen erfolgen die Übergänge an Schrittgrenzen, sodass der Umrichter bei einem groben Schritt um bis zu einem ganzen Zeitschritt zu früh oder zu spät zu schalten scheint.“

Häufige Fehlerquellen bei Validierungsprogrammen für Umrichter

Die meisten Probleme bei der Konvertervalidierung sind eher auf Prozessabläufe als auf physikalische Aspekte zurückzuführen. Modelle werden für eine bestimmte Fragestellung erstellt und dann für eine andere wiederverwendet, Zeitschritte werden aus Gewohnheit gewählt, und niemand hält fest, welche Version des Anlagenmodells zu welchem Testergebnis geführt hat.

Fünf Muster sind für den Großteil der Ausfallzeit verantwortlich.

• Wiederverwendung eines Regelungsmodells für Schutzstudien, bei denen ideale Schalter den Überstromtransienten verdecken, den man eigentlich erfassen möchte.
• Die Wahl des Zeitschritts richtet sich nach den Möglichkeiten der Plattform und nicht nach den Anforderungen der schnellsten Rennstrecke.
• Das Anlagenmodell wird nicht versioniert, sodass ein fehlgeschlagener Test zwei Wochen später nicht reproduziert werden kann.
• Die Überspringung der Überprüfung der Konvertierung von Offline- in Echtzeitdaten und das Aufspüren algebraischer Schleifen während der Inbetriebnahme.
• Überprüfung nur des Wechselrichters, wenn der Fehler zwischen Wechselrichter, Filter und Netzimpedanz liegt.

Dem Aspekt der Versionsführung sollte mehr Gewicht beigemessen werden. Eine Konverter-Validierungskampagne erzeugt Hunderte von Durchläufen über verschiedene Firmware-Versionen hinweg, und ohne eine Aufzeichnung, die die Modellversion, die Solver-Einstellungen und den Firmware-Build miteinander verknüpft, lässt sich eine echte Regression nicht von einer Annahme unterscheiden, die jemand angepasst hat.

Was Ihnen eine konsequente Konvertervalidierung auf lange Sicht bringt

Konvertergruppen, die Solver nach den Anforderungen an den Zeitschritt und nicht aus Gewohnheit auswählen, sorgen für weniger Überraschungen. Diese Vorgehensweise lässt sich einfach formulieren, ist aber schwer konsequent einzuhalten. Ermitteln Sie das schnellste Ereignis im Schaltkreis, wählen Sie den Zeitschritt, der dieses Ereignis abdeckt, und behalten Sie das Modell bei, mit dem Sie alle gemeldeten Ergebnisse erzielt haben.

Im Laufe einiger Programmzyklen verstärkt sich dieser Effekt. Über die Dimensionierung der Komponenten wird nicht mehr neu diskutiert, da man dem Verlustmodell vertraut. Regressionen in der Steuerung treten erst bei einem Lauf mit festem Schritt und nicht mehr auf dem Prüfstand zutage. Die Fehler Tests , die früher einen zerstörten Prototypen gekostet hat, läuft nun noch vor der Mittagspause.

Teams, die mit OPAL-RT arbeiten, entscheiden sich in der Regel für dieselbe Aufteilung: Das Stromnetz wird auf der CPU berechnet, wo die Modellgröße eine Rolle spielt, und die Umrichterstufe wird auf dem FPGA berechnet, wo die Platzierung der „ Vorteil “ entscheidend ist. Es geht nicht um die „ hardware “. Vielmehr wird die Grenze zwischen beiden zu einer bewussten Designentscheidung, und man spürt den Unterschied bei jeder Besprechung, bei der jemand fragt, wie sehr man den Zahlen auf der Folie vertraut.